生物炭固定化R. pyridinivorans B403复合体在土壤苯酚污染修复中的跨尺度增效机制研究

为解决土壤苯酚污染治理中微生物存活率低、修复效率不足的问题，研究人员通过将高效苯酚降解菌R. pyridinivorans B403固定于竹炭生物炭载体，构建生物炭-B403复合体。实验证实该复合体在实验室微尺度（100 g）和中尺度放大50倍（5 kg）系统中均实现97%以上的苯酚降解率，显著缓解土壤酸化（pH提升0.13单位），并通过宏基因组分析揭示其促进芳香族化合物降解基因富集的机制，为土壤污染规模化修复提供新技术路径。

　　

土壤中残留的苯酚就像潜伏的生态杀手——作为美国环保署（USEPA）重点监控的"优先污染物"，它不仅会抑制农作物生长、破坏微生物多样性，更可能通过食物链引发人体致癌突变。传统热脱附、等离子体等技术虽能处理污染，但高昂成本和二次污染风险令人望而却步。面对这一困境，中国科研团队将目光投向自然界最古老的"清洁工"：微生物。

中国国家重点研发计划项目支持下，研究人员创新性地将高效苯酚降解菌Rhodococcus pyridinivorans B403（B403菌株）与竹炭生物炭结合，构建出兼具吸附与生物降解功能的"生态修复微型工厂"。这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，首次实现了从实验室100克级微尺度到5公斤级中尺度系统的成功跨越，为土壤修复技术从实验室走向田间地头架设了关键桥梁。

研究团队运用扫描电镜（SEM）确认了生物炭的微米级孔隙结构（2-3 μm）与菌体形态的完美匹配，通过高通量测序解析微生物群落动态，并采用宏基因组技术追踪功能基因变化。特别值得注意的是，实验土壤采自湖北孝感市0-20 cm耕作层，其理化性质（见表S1）代表典型农业土壤特征。

微观表征揭示增效机制
电镜观察显示，竹炭生物炭表面丰富的含氧/氮功能基团（如羧基、吡啶氮）不仅为B403菌株提供物理庇护所，更通过电子传递促进其代谢活性。这种"巢穴效应"使复合体中菌体密度达到游离菌的3.2倍（图1c）。

跨尺度验证修复效能
在500 mg·kg^-1苯酚污染水平下，微尺度系统5天降解率达97.1%；令人振奋的是，放大50倍的中尺度系统仍保持97.2%的高效率。复合体处理组土壤pH值较对照组提升0.13单位，有效缓解了苯酚降解产生的酸性中间产物危害。

微生物群落重构规律
16S rRNA测序表明，苯酚使土壤微生物α多样性指数降低15.7%，而复合体的添加使关键功能菌门（如放线菌门）丰度提升2.8倍。宏基因组分析进一步发现，复合体处理组中芳香环裂解酶（EC 1.13.11）等关键酶编码基因显著富集。

这项研究开创性地证实：生物炭载体不仅能提升功能菌的土壤定殖能力，更通过"生物炭-微生物-土著群落"三级互作网络，重塑了污染土壤的微生态功能。相比传统生物刺激法，该技术将苯酚半衰期从9.2天缩短至1.7天，且无需添加外源营养剂。研究团队特别指出，竹炭生物炭源自郑州毛竹农业废弃物，其低成本特性（约$0.5/kg）使该技术具备大规模应用潜力，对于实现《"十四五"土壤污染防治规划》中农用地安全利用目标具有重要实践意义。